块茎电阻成像的物场电导特性与敏感场阻抗模型研究

摘要

电子农业和智能农业是我国农业发展的重要方向，将电阻层析成像技术应用于电子农业领域的块茎无损检测是一个新的研究课题，它具有广泛的应用前景和实用价值。
　　基于电阻成像技术的块茎生长状态信息检测系统的研究成果将为农作物如马铃薯、番薯、芋和名贵中药材如人参、天麻等块茎植物新品种培育、科学合理种植、提高产量等提供强有力的可视化监测手段和分析工具。对于块茎植物的精细种植而言，可通过对块茎生长状态信息的抽样监测，甚至还可通过无线传感器网络实现远程监控，做到合理有效地浇水、施肥和病虫害防治等，这对低碳经济、绿色环保与食品安全等具有重大意义。
　　本论文在电阻层析成像(ERT)技术的基础上研究土壤环境下块茎电阻成像系统(TERT)，分析了阵列电极形状和电极材料对系统的影响，探讨了相邻激励和相对激励两种模式下系统激励/测量信号的选择，为TERT系统的深入研究和硬件搭建提供了理论依据。
　　通过对土壤多相介质环境的电导特性和马铃薯块茎生长条件的研究，并采用美国METTLED TOLEDO公司生产的S230电导率仪对土壤多相介质和块茎进行了电导率测量，建立了土壤电导率与土壤含水量的数学模型，从而为正问题仿真参数的设置和敏感场阻抗模型的建立提供了指导作用。
　　基于COMSOL软件对块茎电阻成像的正问题进行了仿真研究。建立了土壤多相介质仿真模型，分析研究物场在不同条件下，如含水量多少、有无块茎、块茎的生长阶段和块茎个数等参量对敏感场电学特性分布的影响。
　　根据以上的实验和仿真结果，得出了敏感场土壤电阻值。研究建立敏感电极、块茎生长的导电土壤多相介质和电流激励/测量所构成的交流阻抗模型，分析了输入/输出的频率特性。
　　本论文的创新和贡献点主要有:基于土壤多相介质环境和块茎的电导测试研究，建立了在适宜马铃薯块茎生长条件下，土壤电导率和土壤含水量之间的数学模型关系式，为后续的硬件电路和算法的设计提供了重要的理论指导。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 ERT技术简介

1．2．2 ERT技术国外研究现状

1．2．3 ERT技术国内研究现状

1．2．4 块茎电阻成像技术

1．2．5 土壤电导测试方法概述

1．3 本文主要研究内容

2 块茎电阻成像系统原理

2．1 块茎电阻成像数学模型

2．2 TERT正问题分析

2．3 TERT系统阵列电极

2．4 TERT系统激励信号及激励／测量模式

2．5 本章小结

3 土壤环境和马铃薯块茎的电导特性分析与测试研究

3．1 土壤多相介质环境的特点与电导特性分析

3．2 马铃薯块茎生长条件

3．3 土壤与块茎电导率测试实验

3．3．1 实验条件及设备

3．3．2 电导率测量实验过程

3．3．3 实验结果

3．4 土壤电导率与土壤含水量数学模型

3．4．1 回归分析

3．4．2 基于SPSS软件分析的模型建立

3．5 本章小结

4 基于COMSOL的TERT正问题仿真分析

4．1 土壤多相介质仿真模型建立

4．2 电流激励大小的选择

4．3 均匀场正问题求解

4．3．1 均匀场仿真分析

4．3．2 土壤含水率改变时测量规律

4．4 场域中有块茎时敏感场电学特性分析

4．4．1 块茎不同的生长阶段仿真研究

4．4．2 块茎位置变动的仿真研究

4．4．3 多个块茎的仿真研究

4．5 本章小结

5 敏感场阻抗模型研究

5．1 电极极化作用与法拉第阻抗

5．2 双电层电容及其影响

5．3 敏感场土壤阻抗

5．4 激励场交流阻抗模型

5．4．1 单一电极阻抗模型

5．4．2 交流激励调制场模型

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 研究展望

参考文献

作者简历

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